ARM内存管理MMU详解

嵌入式系统中，存储系统差别很大，可包含多种类型的存储器件，如 FLASH ， SRAM ， SDRAM ， ROM 等，这些不同类型的存储器件速度和宽度等各不相同；在访问存储单元时，可能采取平板式的地址映射机制对其操作，或需要使用虚拟地址对其进行读写；系统中，需引入存储保护机制，增强系统的安全性。为适应如此复杂的存储体系要求， ARM 处理器中引入了存储管理单元来管理存储系统。

一 内存管理单元（ MMU ）概述
在 ARM 存储系统中，使用 MMU 实现虚拟地址到实际物理地址的映射。为何要实现这种映射？首先就要从一个嵌入式系统的基本构成和运行方式着手。系统上电时，处理器的程序指针从 0x0 （或者是由 0Xffff_0000 处高端启动）处启动，顺序执行程序，在程序指针（ PC ）启动地址，属于非易失性存储器空间范围，如 ROM 、 FLASH 等。然而与上百兆的嵌入式处理器相比， FLASH 、 ROM 等存储器响应速度慢，已成为提高系统性能的一个瓶颈。而 SDRAM 具有很高的响应速度，为何不使用 SDRAM 来执行程序呢？为了提高系统整体速度，可以这样设想，利用 FLASH 、 ROM 对系统进行配置，把真正的应用程序下载到 SDRAM 中运行，这样就可以提高系统的性能。然而这种想法又遇到了另外一个问题，当 ARM 处理器响应异常事件时，程序指针将要跳转到一个确定的位置，假设发生了 IRQ 中断， PC 将指向 0x18( 如果为高端启动，则相应指向 0vxffff_0018 处 ) ，而此时 0x18 处仍为非易失性存储器所占据的位置，则程序的执行还是有一部分要在 FLASH 或者 ROM 中来执行的。那么我们可不可以使程序完全都 SDRAM 中运行那？答案是肯定的，这就引入了 MMU ，利用 MMU ，可把 SDRAM 的地址完全映射到 0x0 起始的一片连续地址空间，而把原来占据这片空间的 FLASH 或者 ROM 映射到其它不相冲突的存储空间位置。例如， FLASH 的地址从 0x0000_0000 － 0x00ff_ffff, 而 SDRAM 的地址范围是 0x3000_0000 － 0x31ff_ffff ，则可把 SDRAM 地址映射为 0x0000_0000 － 0x1fff_ffff 而 FLASH 的地址可以映射到 0x9000_0000 － 0x90ff_ffff （此处地址空间为空闲，未被占用）。映射完成后，如果处理器发生异常，假设依然为 IRQ 中断， PC 指针指向 0x18 处的地址，而这个时候 PC 实际上是从位于物理地址的 0x3000_0018 处读取指令。通过 MMU 的映射，则可实现程序完全运行在 SDRAM 之中。

在实际的应用中，可能会把两片不连续的物理地址空间分配给 SDRAM 。而在操作系统中，习惯于把 SDRAM 的空间连续起来，方便内存管理，且应用程序申请大块的内存时，操作系统内核也可方便地分配。通过 MMU 可实现不连续的物理地址空间映射为连续的虚拟地址空间。

操作系统内核或者一些比较关键的代码，一般是不希望被用户应用程序所访问的。通过 MMU 可以控制地址空间的访问权限，从而保护这些代码不被破坏。

二 MMU 地址映射的实现
MMU 的实现过程，实际上就是一个查表映射的过程。建立页表（ translate table ）是实现 MMU 功能不可缺少的一步。页表是位于系统的内存中，页表的每一项对应于一个虚拟地址到物理地址的映射。每一项的长度即是一个字的长度（在 ARM 中，一个字的长度被定义为 4 字节）。页表项除完成虚拟地址到物理地址的映射功能之外，还定义了访问权限和缓冲特性等。

1 、映射存储块的分类　
MMU 支持基于节或页的存储器访问， MMU 可以用下面四种大小进行映射：

节 （ Section ） 构成 1MB 的存储器块
支持 3 中不同的页尺寸：

微页 （ Tiny page ） 构成 1KB 的存储器块
小页 （ Small page ） 构成 4KB 的存储器块
大页 （ Large page ） 构成 64KB 的存储器块
其中对于节映射使用一级转换表就可以了，而对于微页、小页、大页则需要使用两级转换表。

存在主存储器内的转换表有两个级别：

2 、第一级转换表
（注：本文中的页表与转换表同义）

存储节转换表和指向第二级表的指针。

注： 上图中粗糙页表栏中的最后一项应为‘01 ’

第一级表的每个入口是一个描述它所关联的 1MB 虚拟地址是如何映射的描述符。见表 3-1 ，根据 bits[1:0] 的组合，有四种可能：

· 如果 bits[1:0]==0b00 ，所关联的地址没有被映射，试图访问他们将产生一个转换错（ fault ）。因为他们被硬件忽略，所以软件可以利用这样的描述符的 bits[31:2] 做自己的用途。推荐为描述符继续保持正确的访问权限。

· 如果 bits[1:0]==0b10 ，这个入口是它所关联地址的节描述符。见节描述符和转换节参考中的细节。

· 如果 bits[0]==1 ，